大氣質量負荷對 GPS基準站的影響＊

田云鋒

(1)中國地震局地殼應力研究所,北京 100085 2)中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室,北京 100029)

大氣質量負荷對 GPS基準站的影響＊

田云鋒1,2)

(1)中國地震局地殼應力研究所,北京 100085 2)中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室,北京 100029)

分析大氣質量負荷對中國地殼運動觀測網(wǎng)絡 GPS基準站的影響,對所有歷史數(shù)據(jù)進行了重新分析,比較了全球框架、區(qū)域框架以及經(jīng)過AT ML改正的區(qū)域框架下 3種解中白噪聲和閃爍噪聲的大小、周期項和速率估計等的差別,并分析了AT ML與公共噪聲的關系。結果表明對于區(qū)域框架來說,加入 AT ML改正能夠帶來一定的改進,如：水平分量白噪聲和垂向分量閃爍噪聲減小,垂向周年運動振幅降低等,但對臺站運動速率的估計影響較小。

GPS;大氣質量負荷;共模噪聲;地殼運動;觀測網(wǎng)絡

1 引言

大氣質量負荷 (Atmospheric Mass Loading,ATML)是引起 GPS坐標季節(jié)性波動的一個重要因素,尤其是對垂向分量,能夠引起約 10 mm的周年運動[1-3]。盡管 AT ML效應已為廣為人知,Tregoning[4]也為 GAM IT/GLOBK軟件開發(fā)了專門進行AT ML改正的模塊,但目前國際 GNSS服務 (IGS)的各個分析中心尚未在 GPS單日數(shù)據(jù)解算階段進行AT ML改正,其原因有：1)對地殼形變監(jiān)測來說這些成分是噪聲,但對于其他研究來說這又是信號,因此,有必要保留AT ML成分;2)在觀測級進行AT ML改正與基于 GAM IT單日松弛解進行單日平均ATML改正的效果相當[4];3)現(xiàn)有的氣象數(shù)據(jù)尚有待完善,各氣象模型之間還存在較大差異,缺少一個公認的準確的全球性氣象數(shù)據(jù)模型。

本文通過對比在加入AMTL改正前后所得 GPS坐標時間序列的差別,分析AT ML對白噪聲和閃爍噪聲、區(qū)域共模誤差、周期項、速率估計等的影響。

2 數(shù)據(jù)

選擇中國地殼運動觀測網(wǎng)絡 (CMONOC)27個GPS基準站(圖 1)進行分析,同時還納入了中國及周邊的其他 GPS連續(xù)站。對所有臺站在 1999—2007年的觀測數(shù)據(jù)進行重新分析,數(shù)據(jù)解算采用GAM IT軟件進行,運用了二組處理策略,除了是否進行AT ML改正之外,其他參數(shù)、模型設置均相同,如,采用了 FES2004模型對海潮進行改正,大氣映射函數(shù)采用 G MF(GlobalMapping Function)代替舊的NMF(NeillMapping Function),采用絕對天線相位中心模型代替相對模型。

圖1 GPS臺站分布Fig.1 Distribution of GPS stations

然后將GAM IT解算所得的CMONOC單日松弛解轉換到 ITRF2005國際地球參考框架下：

1)利用 GLOBK與 SOPAC的 IGS各子網(wǎng) (igs1～igs6)的 GAM IT單日解 (H文件)合并,以分布均勻的全球 158個 ITRF2005參考站為基準,通過 7參數(shù)變換將未進行AMTL改正的CMONOC單日松弛解轉換到 ITRF2005框架下;

2)利用 GLORG以 14個 GPS站為基準(圖 1中的五角星),通過 7參數(shù)變換分別將經(jīng)過和未經(jīng)過AMTL改正的 CMONOC單日松弛解轉換到ITRF2005框架下。

在參考框架定義階段,實際上每天用于計算轉換系數(shù)的參考站的數(shù)目是變化的。以經(jīng)過觀測級AT ML改正的區(qū)域框架解為例,參考框架定義站實際參與框架定義的天數(shù)大致在 70%～90%(圖 2)。對于區(qū)域參考框架定義來說,大部分公共運動在參考框架轉換系數(shù)估計過程中被吸收掉了,由于我們選擇的框架點相對均勻、穩(wěn)定,一個或少量框架點的缺失不會引起整個框架的明顯變動。但對于全球尺度的參考框架來說,因為大部分地區(qū)參考站分布稀疏,框架點數(shù)據(jù)缺失所引起的參考框架變動不可忽視,可能是全球解中公共噪聲的起源。

圖2 用于定義參考框架的基準站Fig.2 Fiducial sites used for defining reference frame

所獲取的 GPS坐標時間序列中包含了若干局外點,我們采用 I QR(interquartile range)準則將其剔除。此外,部分臺站受到非構造因素的影響,如泰安站 (TA I N)在 1999—2000年受到天線進水的影響,其各分量坐標呈現(xiàn)異常變化;海拉爾站 (HLAR)垂向分量在 2000年 11月之前存在偏大的周年波動。此外,部分臺站坐標時間序列中還包含由于天線墩改造、地震等造成的階躍等非線性變化。階躍、震后形變、周年和半年項、與速率同時估計：

其中,a為初始位置,b為速率,c、d、φann、φsemi分別為周年、半年項的振幅和相位,e為階躍,f為震后速率變化,g為震后對數(shù)衰減函數(shù),v為誤差,ti為時間,H為階梯函數(shù)。

3 進行ATML改正的影響

3.1 對解算精度的影響

分別計算各組解所得的殘差坐標時間序列的RMS值。從各站 RMS統(tǒng)計的均值來看,相對于全球框架下的解,區(qū)域框架下N、E和U分量殘差RMS值平均可分別降低 20%、26%和 12%。而區(qū)域框架下在觀測級數(shù)據(jù)解算階段加入AT ML改正能夠再帶來水平、垂向分量各 2%和 3.7%的 RMS改進。然而,從速率及其方差估計值來看,在區(qū)域框架下,進行AMTL改正帶來的改進很小,都在亞毫米量級,例如,垂向分量速率估計差異均值僅約 0.05 mm/a,速率估計方差均值也僅相差 0.06 mm/a。

3.2 相關噪聲的大小

目前,已證實 GPS坐標時間序列中包含著有色噪聲,其中閃爍噪聲占主導地位[5-8]。為此,我們采用白噪聲 +閃爍噪聲的混合模型,估計了各站中白噪聲和閃爍噪聲的大小。

相對于全球框架下的解而言,區(qū)域框架下白噪聲明顯降低(表 1),而在區(qū)域框架中進行AT ML改正并未降低白噪聲。

表 1 各解的白噪聲大小均值對比(單位:mm/a)Tab.1 Comparison between white noise magn itudes(unit:mm/a)

圖3 各解閃爍噪聲的大小Fig.3 Amplitudes of flicker noises

與白噪聲不同,由全球框架至區(qū)域框架帶來的水平分量中閃爍噪聲的改進較小,僅在垂向分量有較大的改進(圖 3);在區(qū)域框架下,解算中加入ATML改正對閃爍噪聲的影響不大。在個別地區(qū),如廣州 (GUAN)、瓊中 (Q I ON)、下關 (XI AG)和永興(YONG),區(qū)域解中的閃爍噪聲要大于全球解的結果,可能與周邊缺少框架點來進行約束而包含了較大的框架誤差有關。

3.3 對垂向周年項的影響

垂向分量是受地表質量負荷影響最為明顯的分量,那么,進行AT ML改進是否能夠降低周期性波動的振幅?從各解中周年項的振幅均值 (表 2)來看,區(qū)域解中的周年變化要明顯弱于全球解,尤其是垂向分量;在觀測級進行AMTL改正的效果也較明顯(圖 4),尤其是在拉薩 (LHAS和 LHAZ)、泰安(TA I N)、德令哈 (DHLA)、西安 (XI AA)等地,說明即使是針對區(qū)域參考框架,AT ML對坐標系統(tǒng)變換的影響也是很顯著的。

表 2 各解的周年振幅大小均值對比(單位:mm)Tab.2 Comparison of averaged annual amplitudes(un it: mm)

圖4 垂向周年項Fig.4 Vertical annual ter ms

4 ATML效應與共模誤差

由于大氣變化往往具有較大的空間尺度,因此AT ML可能是公共誤差(CME)的來源之一。與全球框架相比,采用區(qū)域參考框架時很大一部分大尺度的CME被消除了,此時再進行AMTL改正是否還有必要?對于未進行 AMTL改正的解,采用空間濾波[9]是否能夠代替進行此類地表質量負荷效應改正?針對這些問題,我們對比了全球解、區(qū)域解、加入AT ML改正的區(qū)域解以及經(jīng)過空間濾波的全球解所得的殘差坐標時間序列的差別。圖 5(從上至下,各曲線依次為全球框架解、區(qū)域框架解、經(jīng)過AT ML改正的區(qū)域框架解、以及經(jīng)過空間濾波的全球解的結果。各時間序列經(jīng)歷了窗口為 30天的平滑濾波)給出了薊縣站(J IXN)的結果,與此類似,大部分臺站加入AT ML改正后區(qū)域解的變化不大,而經(jīng)過空間濾波的全球解要明顯好于區(qū)域解。這表明CME還包含有負荷效應之外的其他來源。

圖 5 薊縣站(J IXN)的殘差坐標時間序列Fig.5 Residual time series at J IXN station

5 結語

1)在區(qū)域參考框架下加入大氣質量負荷改正能夠帶來約 3%的殘差 RMS改進,水平分量白噪聲和垂向閃爍噪聲也有一定的減小,且能夠降低部分站的垂向周年運動振幅,這些表明各站的AT ML效應存在較大差別,能夠影響參考框架定義過程。其他地表質量負荷因子 (如地表水)也面臨同樣的問題。

2)對于已有多年觀測歷史的中國地殼運動觀測網(wǎng)絡 GPS基準站來說,在 GPS觀測數(shù)據(jù)解算階段進行AT ML改正并未帶來臺站運動速率估計的明顯改善。

1 DongD,et al.Anatomy of apparent seasonal variations from GPS-derived site position time series[J]. J. Geophys. Res.,2002,107(B4)：2 075.

2 Zhang F P,et al.Seasonal vertical crustalmotions in China detected by GPS[J].Chinese Science,2002,47(21)：1 772-1 780.

3 王敏,等.非構造形變對 GPS連續(xù)站位置時間序列的影響和修正 [J].地球物理學報,2005,48(5)：1 045-1 052.(Wang Ming,et al.Effects of non-tectonic crustal defor mation on continuous GPS position time series and correction to them[J].Chinese J.Geophys.,2006,48(5)：1 045-1 052)

4 Tregoning P and van Dam T.Atmospheric pressure loading corrections applied to GPS data at the observation level[J]. Geophys.Res.Lett.,2005,32,L22310.

5 黃立人.GPS基準站時間序列的噪聲特性分析[J].大地測量與地球動力學,2006,(2)：31-33.(Huang Liren. Noise properties in time series of coordinate component at GPS fiducial stations[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2006,(2)：31-33)

6 黃立人,符養(yǎng).GPS連續(xù)觀測站的噪聲分析 [J].地震學報,2007,29(2)：197-202. (Huang Liren and Fu Yang.Analysis on the noises from continuously monitoring GPS sites[J].Acta Seismologica Sinica,2007,29(2)：197-202)

7 顧國華,張晶.中國地殼運動觀測網(wǎng)絡基準站 GPS觀測的時間序列結果[J].大地測量與地球動力學,2002,22 (2)：61-67.(Gu Guohua and Zhang Jing.Time series of displacements from GPS observation at fiducial station in the crustalmovement observation net work of China[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2002,(2)：61-67)

8 楊博,張風霜,韓月萍.多核函數(shù)法在 GPS時序資料處理中的應用[J].大地測量與地球動力學,2010,(4)：137-141.(YangBo,Zhang Fengshuang and Han Yueping.Method of multi-kernel function and its application in GPS time series data processing[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2010,(4)：137-141)

9 Nikolaidis R.Observation of geodetic and seismic deformation with the Global Positioning System[D].Univ.of Calif.,San Diego,2002.

EFFECTS OF ATMOSPHERIC MASS LOAD ING ON GPS FIDUC IAL STATIONS

Tian Yunfeng1,2)

(1)Institute of Crustal Dynam ics,CEA,B eijing 100085 2)State Key Laboratory of Earthquake Dynam ics,Institute of Geology,CEA,Beijing 100029)

The effects of atmospheric mass loading(AT ML)on GPS fiducial stations in CrustalMotion Observation Network of China are studied.The historical data are reanalyzed in a consistentway and the results derived from three categories of solutions：global reference frame solutions,regional frame solutions,and regional frame solutionswith AT ML corrections at the observation level(the phase of processing daily observationswith GAM IT software)are analyzed aswell.The magnitudes of white noises and flicker noises,seasonal terms,and estimation of rates and rate uncertainties are compared with each other.It is shown that applying non-tidalAT ML corrections at the observation level can bring about s mall improvements in reducing the magnitudes of horizontalwhite noises and vertical flicker noises,aswell as vertical annual fluctuations;however,it does little effects to rate estimations.

GPS;atmospheric mass loading;common-mode error;crustalmotion;observation network

1671-5942(2010)05-0064-04

2010-04-15

中國地震局地殼應力研究所所長基金(ZDJ2009-01;ZDJ2007-13)

田云鋒,男,1976年生,副研究員,主要研究方向為利用 GPS監(jiān)測地殼形變.E-mail：tianyunfeng@yahoo.com.cn

P315.72+5

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